RS 485與NB-IoT網絡雙向數據透傳DTU設計

張顯才

（空軍預警學院，湖北 武漢 430019）

0 引 言

按照國家電網公司統計，10 kV及以上供電電壓等級的用戶側變配電所數量眾多，總數在200萬戶以上。此類用戶側變配電所內通常包含進線柜、出線柜、無功功率補償柜等電力控制柜，利用綜合保護器等設備實時監測斷路器的狀態、三相電壓、三相電流、有功電能、無功電能、功率因數等參數。這些數據對實時監測、統計這些設備的工作狀態起著至關重要的作用。如果將片區內所有變配電所的測量數據進行大數據綜合統計分析，可以對片區內用電情況進行精準的統計和預測，并對故障進行提前預警。但現有綜合保護器或者DTU通常采用RS 485通信，只能通過有線傳輸方式，點對點地將信息傳輸至信息處理主機，無法實現片區內所有測量數據的融合和匯總，無法組網進行大數據分析。

2019年國家電網公司提出了建設范在電力物聯網，加快推進“三型兩網”戰略落地實施。目標是到2021年，初步建設范在電力物聯網，基本實現業務協同與數據貫通；到2024年，建成范在電力物聯網，全面實現業務協同、數據貫通和統一物聯管理，公司級智能能源綜合服務平臺具備強大功能，全面形成共建共治和共享的能源互聯網生態圈。如今，物聯網技術迅猛發展，新一代的窄帶物聯網（NB-IoT）具有強鏈接、高覆蓋、低功耗和低成本的優點，可方便實現能源管理進入萬物互聯時代。在這樣的背景及要求下，研制一種RS 485與NB-IoT網絡雙向數據傳輸DTU電路，對原有電力參數測量設備進行升級，使這些設備可以快速接入物聯網，實現數據貫通，具有深遠的意義。

1 電路的組成和工作原理

本設計電路主要由穩壓電路、NB-IoT模組、MCU以及RS 485通信接口電路等部分組成，如圖1所示。

圖1 電路的組成

數據鏈路工作過程如圖2所示。DTU接收RS 485通信鏈路的數據幀，在MCU內按照NB-IoT模組數據格式要求進行數據封裝，通過NB-IoT模組發往NB-IoT基站?；窘邮盏綌祿螅凑諗祿f議中的目的服務器地址，將數據轉發至網絡云服務器，完成一次數據上報過程。數據的下發過程與此正好相反。首先是網絡服務器將數據下發至NB-IoT基站，基站根據數據協議中的目標地址，將數據轉發至相應NB-IoT模組，并使模組產生讀請求信號，通知電路中的MCU讀取數據。MCU將數據讀取并解析后，通過RS 485接口電路將數據發出，完成一次數據下發過程。收發過程中，數據的封裝和解析等過程均由MCU和NB-IoT基站完成，對于用戶而言是全透明的。

圖2 電路工作過程

2 電路設計

在電路設計中，MCU對NB-IoT模組之間的控制及數據傳輸是整個設計的核心。MCU選用ST公司基于Cortex-M3內核的單片機STM32F103C8T6。NB-IoT模組選用上海移遠公司的BC26模組。

2.1 BC26模組介紹

BC26是一款高性能、低功耗、支持多頻段的NB-IoT模塊。采用LCC封裝結構，典型工作電壓為3.3 V，峰值工作電流為0.5 A，支持B1、B3、B5、B8等工作頻段，內置UDP/TCP/CoAP/LwM2M/MQTT/PPP/SNTP協議，可以連接中國移動OneNET、中國電信IoT、華為OceanConnect和私有云等物聯網平臺。

BC26模組硬件上除了供電電源接口外，還包含1個USIM卡接口、3個UART接口、1個SPI接口、1個用于外部中斷喚醒的PSM_EINT接口、1個10位的ADC接口、1個天線接口，以及復位、開機、聯網指示接口。在其OpenCPU版本中，還包含IC接口、IS接口以及可配置的GPIO接口。3個UART接口分別為主UART、調試UART、輔助UART接口。主UART和輔助UART都可以用于與MCU間的通信。除此之外，主UART還可以用于BC26固件升級。調試UART可以輸出調試信息，用于軟件調試。本次設計采用主UART與MCU進行數據傳輸。由于主UART的電平為1.8 V，因此與MCU進行通信時，必須外加電平轉換電路。

2.2 電源電路設計

采用TI公司的DC/DC電源芯片TPS54202實現。該器件是一款輸入電壓范圍為4.5～28 V的2 A同步降壓轉換器，包含兩個集成式開關場效應管，具有內部回路補償和內部軟啟動功能。TPS54202具有較高的功率密度、較小的封裝，僅需極少的外部元件，即可實現穩定的電壓輸出，非常適合于對體積有要求的電路的設計。電源電路如圖3所示。在該電路中，電容和為輸入濾波電容；和為反饋電阻，為TPS54202提供電壓基準，改變此電阻的比值即可改變輸出電壓。當取值為100 kΩ、取值為22.1 kΩ時，電路輸出電壓為3.3 V。電容、、為輸出濾波電容，同時也有儲能作用，提高電源輸出的穩定性。

圖3 電源電路

2.3 通信接口設計

STM32F103C8T6總計有三個串行接口。在設計中利用串口1實現RS 485數據的收發，利用串口2與BC26的主UART之間進行數據傳輸。BC26的主UART為1.8 V的電平標準，而MCU的串口為3.3 V的電平標準。因此在設計時，不能直接連接，須通過電平轉換芯片。設計中選用TI公司的NTB0102DP實現。

RS 485數據的收發采用SP3485實現，其原理如圖4所示。經過此電路，可以實現差分RS 485數據與單端LVTTL電平的UART數據之間的相互轉換。電路設計中，增加了熱敏電阻RV1和TVS管保證通信的安全可靠。

圖4 RS 485通信電路

3 程序設計

軟件程序流程如圖5所示。程序開始時首先進行系統初始化操作：一方面是對MCU內部資源進行初始化，主要是初始化STM32的UART接口的工作參數和工作模式；另一方面是BC26模組的初始化，主要是查詢模塊信息、獲取網絡信息、設置工作頻段、打開射頻開關、查詢模組注網狀態等。當模組注網成功后，設置模組工作的Socket參數，連接服務器，向服務器發送注冊包；然后，程序處于輪詢狀態。當MCU串口接收緩沖區非空時，表示已收到一幀RS 485數據，MCU對接收的數據重新封裝，發往模組，最終上傳至服務器。如果收到模組下發的讀數據請求，MCU從模組緩沖區讀取數據，并通過UART口發送，最終形成RS 485數據。如果一段時間無數據上傳，模組會自動睡眠，與服務器斷開連接。因此設定一定的時間間隔，定時發送心跳包數據，使模組與服務器保持實時連接。

圖5 軟件流程

3.1 STM32 UART接口初始化

STM32單片機串口具有DMA接收功能，在串口初始化時指定DMA接收的源地址和目的地址，設定源和目的地址的增長方式。每接收到一個完整的字節后，DMA控制器會自動將接收數據存入目的地址指向的緩沖區，無須軟件干預。

STM32單片機的串口還有空閑線（IDLE）中斷模式。在該模式下，當串口的接收引腳存在超過2個字節時間的空閑時，單片機會產生空閑中斷，表明一幀數據已經傳輸完成。該中斷與DMA數據接收功能配合使用，特別適合于不定長數據幀的接收。

3.2 BC26模組注網

BC26模組的所有操作均采用AT指令實現，其初始化流程如圖6所示。在初始化過程中，每次發送AT指令后，均需驗證指令的返回是否正確。由于模組的IMEI碼具有唯一性，注網過程中將讀取的IMEI碼作為注冊包和心跳包的數據。當查詢到模塊注網成功，并成功讀取PDP地址后，即可采用不同的通信協議建立與遠程服務器間的通信連接。

圖6 BC26模組注網流程

3.3 與服務器間的數據通信

測試中服務器為私有云服務器，模組與服務器間采用TCP協議進行通信。模組執行“AT+QIOPEN”指令連接遠程云服務器。執行“AT+QISEND”指令向服務器上傳數據。當服務器有下發數據時，模組會輸出“+QIURC：‘recv’，0”字符串，通知MCU進行數據讀取。

4 系統測試

設計的DTU電路實物如圖7所示。電路的測試方法如圖8所示。測試包含2臺電腦，左側電腦外接USB轉RS 485數據線，運行串口調試助手，模擬RS 485數據的收發；右側電腦遠程登錄到服務器，服務器上運行網絡調試助手，模擬服務器數據的收發。測試結果如圖9所示。可見，該電路工作正常，實現了數據的透明傳輸。

圖7 DTU電路實物

圖8 電路測試方法

圖9 測試結果

5 結 語

本文詳細分析了RS 485與NB-IoT網絡雙向數據透傳電路的工作原理、電路設計要點、程序設計流程，并對電路進行了測試。測試結果表明，該電路能夠實現數據透傳功能以及傳統RS 485通信設備數據上云的功能。現在此電路已成功用于武漢某開閉所綜合保護器的升級改造，實現了本地測量數據網絡化以及數據的互聯互通，便于后臺對所有設備進行統一的管理和監控。